왜 분자량과 입체규칙도가 중요할까요?
플라스틱의 품질과 가공 특성은 눈에 보이지 않는 분자 수준에서 결정됩니다. 같은 종류의 플라스틱이라도 분자량이 다르면 강도와 유동성이 달라지고, 분자 배열이 다르면 결정 형성 여부가 달라집니다. 이러한 미시적 특성을 이해하면 사출성형 불량의 원인을 파악하고 적절한 수지를 선택할 수 있게 됩니다.
이번 편에서는 플라스틱의 물리적 성질 중 분자량, 분자량 분포, 그리고 입체규칙도에 대해 자세히 알아보겠습니다.
플라스틱의 물리적 성질 개요
플라스틱 수지의 물리적 성질은 분자량 및 관련 인자에 의해 결정됩니다. 뿐만 아니라 중합 방법으로도 입체규칙도 제어가 가능합니다. 이러한 물리적 성질은 사출성형 공정과 최종 제품의 품질에 직접적인 영향을 미칩니다.
분자량이란 무엇인가요?
평균분자량의 개념
분자량이란 분자 하나의 무게를 의미합니다. 그런데 플라스틱과 같은 고분자는 분자량이 일정하지 않습니다. 고분자 분자량은 크기가 일정하지 않으므로 평균분자량으로 표시합니다.
물이나 설탕 같은 저분자 화합물은 모든 분자가 똑같은 크기입니다. 하지만 플라스틱은 중합 반응 과정에서 분자 사슬 길이가 제각각으로 만들어집니다. 어떤 분자는 길고 어떤 분자는 짧습니다. 그래서 평균값으로 분자량을 나타내는 것입니다.
저분자량 플라스틱의 특성
저분자량 플라스틱은 분자 사슬이 짧아서 점성도가 낮습니다. 점성도란 끈적끈적한 정도를 말합니다. 점성도가 낮으면 성형가공이 용이합니다. 녹은 플라스틱이 금형 안으로 잘 흘러들어가기 때문입니다.
그러나 저분자량 플라스틱은 기계적 강도가 점성도가 낮아 떨어집니다. 분자 사슬이 짧으면 분자들 간의 결합력이 약해져서 제품이 약해집니다.
고분자량 플라스틱의 특성
고분자량 플라스틱은 분자 사슬이 길어서 점성도가 높아집니다. 점성도가 높으면 기계적 강도는 우수합니다. 긴 분자 사슬들이 서로 얽혀 있어서 강한 힘에도 잘 버팁니다.
그러나 성형가공성은 현저히 감소합니다. 녹은 플라스틱이 꿀처럼 걸쭉해서 금형 안으로 잘 흘러들어가지 않기 때문입니다. 사출 압력을 높이거나 온도를 올려야 하는 어려움이 있습니다.
분자량과 용해성의 관계
플라스틱은 분자량이 증가할수록 용매에 의해 녹는 용해성은 감소하게 됩니다. 분자 사슬이 길면 용매 분자가 고분자 사슬 사이로 침투하기 어렵기 때문입니다. 이 특성은 플라스틱 제품의 내화학성과 관련이 있습니다.
분자량의 종류
분자량은 계산 방법에 따라 여러 종류로 나뉩니다. 각각의 분자량은 다른 의미를 가지고 있으며, 사용 목적에 따라 적절한 분자량을 선택해서 사용합니다.
수평균분자량
수평균분자량은 영어로 Mn이라고 표기합니다. 분자 개수를 기준으로 평균을 낸 분자량입니다. 작은 분자들의 영향이 크게 반영됩니다.
중량평균분자량
중량평균분자량은 영어로 Mw라고 표기합니다. 분자 무게를 기준으로 평균을 낸 분자량입니다. 큰 분자들의 영향이 크게 반영됩니다. 플라스틱의 기계적 성질은 주로 중량평균분자량과 관련이 있습니다.
Z평균분자량
Z평균분자량은 영어로 Mz라고 표기합니다. 중량평균분자량보다 더 큰 분자들의 영향을 반영합니다. 용융 가공 시의 거동과 관련이 있습니다.
점성도평균분자량
점성도평균분자량은 영어로 Mv라고 표기합니다. 점성도 측정을 통해 계산한 분자량입니다. 중량평균분자량과 비슷한 값을 가집니다.
분자량 크기 순서
이들 분자량의 크기 관계는 다음과 같습니다.
수평균분자량이 가장 작고, 중량평균분자량과 점성도평균분자량이 비슷하며, Z평균분자량이 가장 큽니다. 수식으로 표현하면 Mn이 Mw보다 작고, Mw는 Mv와 대략 같으며, Mw는 Mz보다 작습니다.
분자량 분포란 무엇인가요?
다분산지수의 개념
분자량 분포란 플라스틱 내에 다양한 크기의 분자들이 어떻게 분포되어 있는지를 나타냅니다. 이를 수치로 나타낸 것이 다분산지수입니다. 영어로는 PDI라고 하며 Polydispersity Index의 약자입니다.
다분산지수는 중량평균분자량을 수평균분자량으로 나눈 값입니다. 수식으로 표현하면 PDI는 Mw 나누기 Mn입니다.
다분산지수가 1에 가까우면 모든 분자의 크기가 비슷하다는 뜻입니다. 다분산지수가 크면 분자 크기가 다양하게 분포되어 있다는 뜻입니다.
넓은 분자량 분포를 가지면
넓은 분자량 분포를 가지면 충격강도가 향상되고 성형가공성이 좋아집니다. 다양한 크기의 분자들이 섞여 있으면 작은 분자들이 큰 분자들 사이에서 윤활제 역할을 하기 때문입니다.
그러나 투명도는 감소합니다. 다양한 크기의 분자들이 빛을 산란시켜서 뿌옇게 보이기 때문입니다.
좁은 분자량 분포를 가지면
좁은 분자량 분포를 가지면 투명도가 향상되면서 빛 투과도가 개선됩니다. 균일한 크기의 분자들이 빛을 덜 산란시키기 때문입니다.
그러나 성형가공성은 상대적으로 저하됩니다. 윤활 역할을 하는 작은 분자들이 적기 때문입니다.
중합 방법과 다분산지수의 관계
축합반응형
축합반응형 플라스틱은 이관능기성 단계중합으로 만들어집니다. 대표적인 예가 PA66입니다. 축합반응형 플라스틱의 다분산지수는 약 2에 근접하는 좁은 분자량 분포를 가집니다.
부가반응형
부가반응형 플라스틱은 라디컬 부가중합으로 만들어집니다. 대표적인 예가 PP입니다. 부가반응형 플라스틱의 다분산지수는 2에서 10 수준의 넓은 분자량 분포를 가집니다.
| 제조방법 | 중합 반응 기구 | 다분산지수 |
|---|---|---|
| 축합계 | 이관능기성 단계중합 | 약 2 |
| 부가계 | 라디컬 부가중합 | 2에서 10 |
분자량 분포가 사출성형에 미치는 영향
수지별 분자량 분포의 변화는 사출 공정에서 중요한 의미를 가집니다. 수지 내 용융점도는 일정하더라도 전단속도에 영향을 주어 사출성형 시 수지 유동성 변화를 일으킵니다.
전단속도란 금형 안에서 플라스틱이 흐를 때 받는 힘의 속도를 말합니다. 분자량 분포가 다른 플라스틱은 같은 전단속도에서도 다르게 흐릅니다. 이것이 사출 공정 시 성형 불량의 주요인으로 작용합니다.
같은 제품을 생산하더라도 원료 로트가 바뀌면 분자량 분포가 미세하게 달라질 수 있고, 이로 인해 성형 조건을 다시 조정해야 하는 경우가 발생합니다.
입체규칙도란 무엇인가요?
펜던트기의 배열
입체규칙도는 영어로 Tacticity라고 합니다. 고분자의 주사슬에 결합된 펜던트기의 배열 방법을 의미합니다.
펜던트기란 주사슬에서 곁가지처럼 달려 있는 작용기를 말합니다. 영어로 Pendant Group이라고 합니다. 마치 목걸이의 펜던트처럼 주사슬에 매달려 있다고 해서 이런 이름이 붙었습니다.
폴리스티렌의 예
PS 즉 폴리스티렌을 예로 들어 설명하겠습니다. PS는 탄소에 연결된 펜던트기인 페닐기가 있습니다. 페닐기는 영어로 Phenyl Group이라고 하며, 벤젠 고리 구조를 가진 작용기입니다.
이 페닐기가 주사슬에서 어떻게 배열되느냐에 따라 플라스틱의 특성이 달라집니다. 페닐기의 구조상 배치가 수지 강성 변화와 더불어 사출성형 시 수축율에 커다란 영향을 미칩니다. 이는 성형 불량 요인으로 작용하며, 플라스틱의 최종 물성을 결정하게 됩니다.
입체규칙도의 세 가지 유형
아이소택틱
아이소택틱은 영어로 Isotactic이라고 합니다. 펜던트기가 주사슬의 한쪽에만 규칙적으로 배열된 구조입니다. 마치 빗을 세워놓은 것처럼 모든 이빨이 같은 방향을 향하고 있습니다.
아이소택틱 구조는 규칙적인 배열이므로 결정 형성이 가능합니다.
신디오택틱
신디오택틱은 영어로 Syndiotactic이라고 합니다. 펜던트기가 주사슬의 양쪽에 번갈아 규칙적으로 배열된 구조입니다. 마치 지그재그로 배열된 것처럼 보입니다.
신디오택틱 구조도 규칙적인 배열이므로 결정 형성이 가능합니다.
아택틱
아택틱은 영어로 Atactic이라고 합니다. 펜던트기가 불규칙하게 배열된 구조입니다. 어떤 것은 왼쪽, 어떤 것은 오른쪽으로 무질서하게 달려 있습니다.
아택틱과 같은 불규칙적인 배열은 결정 형성이 불가능합니다.
중합 방법에 따른 입체규칙도 제어
기존 중합 방법의 한계
기존 중합 방법으로는 입체규칙 제어가 어려웠습니다. 대부분 아택틱 구조의 플라스틱이 만들어졌고, 이는 비결정성 플라스틱이 됩니다.
현재 중합 방법의 발전
오늘날에는 메탈로센 촉매 등이 이용되면서 입체규칙 제어가 용이해졌습니다. 메탈로센 촉매는 특정 입체 구조의 고분자만 선택적으로 만들어내는 특수한 촉매입니다.
이로 인해 결정형성수지 생산도 가능해졌습니다. 기존에는 비결정성이었던 PS도 신디오택틱 구조로 만들면 결정성 플라스틱이 됩니다.
입체규칙도 변화의 주의점
기존 일반 범용 PS보다 요구 물성 및 내열성 개선 등이 있습니다. 신디오택틱 PS는 일반 아택틱 PS보다 내열성이 우수합니다.
그러나 기존 금형에서는 수축율 변화로 인해 오히려 성형 불량 요인으로 작용할 수 있습니다. 결정성 플라스틱은 비결정성 플라스틱보다 수축율이 크기 때문입니다. 기존에 비결정성 PS용으로 설계된 금형에 결정성 PS를 사용하면 치수 불량이 발생할 수 있습니다.
이번 편에서 배운 내용 정리
이번 편에서는 플라스틱의 물리적 성질에 대해 알아보았습니다. 분자량이 높으면 기계적 강도는 우수하지만 성형가공성이 떨어집니다. 분자량 분포가 넓으면 충격강도와 가공성이 좋지만 투명도가 낮아집니다.
입체규칙도는 펜던트기의 배열 방법을 나타내며, 아이소택틱과 신디오택틱은 결정 형성이 가능하고 아택틱은 결정 형성이 불가능합니다. 현대의 메탈로센 촉매를 이용하면 입체규칙도를 제어할 수 있지만, 이로 인한 수축율 변화에 주의해야 합니다.
시리즈 마무리
이번 시리즈에서는 플라스틱 수지의 특성에 대해 4편에 걸쳐 알아보았습니다. 플라스틱의 분류, 수분흡수성, 용융흐름지수, 밀도, 그리고 물리적 성질까지 사출성형의 기초가 되는 개념들을 다루었습니다. 이러한 지식을 바탕으로 적절한 수지를 선택하고 최적의 성형 조건을 설정할 수 있을 것입니다.
